[论文解读] Time-reversal symmetry breaking in charge density wave of CsV$_3$Sb$_5$ detected by polar Kerr effect

Yajian Hu, Soichiro Yamane+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究采用具有亚微弧度分辨率的超灵敏偏振 Kerr 效应测量，检测了 CsV₃Sb₅ 电荷密度波（CDW）态中的自发时间反演对称性破缺（TRSB）。关键发现是在 T_CDW = 94 K 以下的零磁场条件下观测到非零、可由磁场调控的 Kerr 角，以及在 CDW 转变温度处出现的磁场可切换 Kerr 跳变，为手性环流序及其与非平凡能带拓扑相关的磁致手性耦合提供了直接证据。

ABSTRACT

The Kagome lattice exhibits rich quantum phenomena owing to its unique geometric properties. Appealing realizations are the Kagome metals AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs), where unconventional charge density wave (CDW) is intertwined with superconductivity and non-trivial band topology. Several experiments suggest that this CDW is a rare occurrence of chiral CDW characterized by orbital loop current. However, key evidences of loop current, spontaneous time-reversal symmetry-breaking (TRSB) and the coupling of its order parameter with the magnetic field remain elusive. Here, we investigate the CDW in CsV3Sb5 by magneto-optic polar Kerr effect with sub-microradian resolution. Under magnetic field, we observed a jump of the Kerr angle at the CDW transition. This jump is magnetic-field switchable and scales with field, indicating magneto--chirality coupling related to non-trivial band topology. At zero field, we found non-zero and field-trainable Kerr angle below CDW transition temperature, signaling spontaneous TRSB. Our results provide a crucial step to unveil quantum phenomena in correlated Kagome materials.

研究动机与目标

• 检测 CsV₃Sb₅ 电荷密度波（CDW）态中自发时间反演对称性破缺（TRSB）的存在，该材料为典型的凯门金属。
• 解决长期以来关于 A V₃Sb₅ 中非传统 CDW 是否由手性环流电流驱动或由真实电荷序引起的问题。
• 探究 CDW 有序参数与外加磁场之间的耦合，特别是其磁致手性响应。
• 确立高分辨率磁光 Kerr 效应作为探测量子凯门材料中非平凡对称性破缺的敏感手段。

提出的方法

• 采用零环路萨尼亚干涉仪，使用带宽为 1550 nm、线宽为 110 nm 的光源，实现极小的亚微弧度分辨率，用于测量偏振 Kerr 角（θ_K）。
• 在低温（低至 1.9 K）和高磁场（最高达 11 T）条件下进行测量，磁场方向沿 c 轴方向。
• 采用基于光纤的装置，利用电光调制器在反射光束中引入 π 相移，实现背景自由的 Kerr 旋转检测。
• 通过施加磁场以对齐 TRSB 有序畴，随后在零场条件下测量，以评估残留的 TRSB，开展磁场训练实验。
• 在 CDW 转变温度约 94 K 附近，于零场和有限场条件下高精度测量 θ_K。
• 结合 SQUID 磁力仪和劳厄衍射的互补数据，将 Kerr 响应与结构及电子性质相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅ 的电荷密度波（CDW）态是否在 T_CDW 以下自发破缺时间反演对称性（TRSB）？
• RQ2 所观测到的 TRSB 是否与外加磁场耦合，表明其与非平凡能带拓扑相关的磁致手性效应？
• RQ3 极化 Kerr 效应能否探测 CDW 相中的手性环流电流序，从而将其与真实电荷序或结构手性区分开来？
• RQ4 磁场在 CsV₃Sb₅ 的 CDW 态中对对齐和训练 TRSB 有序畴方面起什么作用？
• RQ5 是否存在多个竞争的 CDW 相，如在约 60 K 和 80 K 附近 Kerr 响应异常所暗示的那样？

主要发现

• 在零磁场条件下，于 T_CDW = 94 K 以下观测到非零的极化 Kerr 角（θ_K），为 CDW 态中自发时间反演对称性破缺提供了直接证据。
• Kerr 角在 CDW 转变温度处表现出磁场可切换的跳变，且跳变幅度（Δθ_K）与外加磁场呈线性关系，并在磁场反向时符号反转。
• 观测到的 Δθ_K 与磁场之间的磁致手性耦合表明 CDW 有序参数与外加磁场之间存在强相互作用，与非平凡能带拓扑一致。
• 磁场训练实验表明，适度磁场可对齐 TRSB 有序畴，导致磁场撤除后仍保持非零的持久 Kerr 信号，证实了亚稳态手性有序畴的存在。
• 数据未显示 CDW 态内存在多个相变的明确证据，尽管在约 60 K 和 80 K 附近斜率或强度的微小变化提示可能存在竞争相。
• 结果与仅由真实电荷序或结构手性解释的模型不一致，强烈支持手性环流电流序是 CsV₃Sb₅ 的 CDW 态中 TRSB 的起源。